檳榔果實(shí)幾何與物理參數(shù)測量分析
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摘要：檳榔切片是烘干后初加工的重要工序之一，檳榔的外形尺寸及物理參數(shù)存在天然性差異，但均勻?qū)ΨQ的切片才能提升干果價值。文章以海南本地檳榔為樣本，測量了不同烘干時間后干果的幾何尺寸和物理參數(shù)，為檳榔干果自動切片機(jī)械的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。結(jié)果表明，在脫水率為78%時，檳榔干果長度45-60mm，主要分布在50mm，腰徑（高度和寬度）在15-25mm之間，果殼厚約3mm；密度為0.627g/cm3，不銹鋼板上的靜摩擦系數(shù)為0.309，抗壓強(qiáng)度約16MPa。
關(guān)鍵詞：海南檳榔；干果加工；幾何尺寸；物理參數(shù)
1概述
海南檳榔產(chǎn)量占全國的97%以上。海南東部的主要檳榔產(chǎn)區(qū)是瓊海市、萬寧市和陵水縣，中部產(chǎn)區(qū)是屯昌縣、瓊中縣和五指山市；西部產(chǎn)區(qū)是白沙縣、東方市和儋州市[1]。盡管2020年的全球蔓延導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)整體下行，但檳榔被列入肺炎的中藥配方對檳榔產(chǎn)業(yè)是重大利好。干果的加工方法各有不同，具體工藝流程為：清洗-炮制-上光-烘干-切片-取芯-點(diǎn)鹵水調(diào)味等，其中對檳榔果的切片加工效果直接決定了產(chǎn)品的最終外觀和價值，是檳榔加工中極為重要的一環(huán)。檳榔切片目前主要采取手工鍘刀剖切，存在效率低、工作強(qiáng)度大、成本高和食品衛(wèi)生安全不易控制的問題。依靠手工的原因在于檳榔受地理氣候環(huán)境因素影響，果形尺寸及物理參數(shù)存在差異，外觀大多不規(guī)則，而市場提供的自動切片機(jī)械適應(yīng)性不強(qiáng)、正品產(chǎn)率不高，外觀質(zhì)量欠佳，因而產(chǎn)品貶值導(dǎo)致廠家不愿采用。由于檳榔的切片與檳榔幾何參數(shù)和物理參數(shù)密切相關(guān)，加強(qiáng)對檳榔果幾何尺寸和物理參數(shù)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究，將有利于切片加工機(jī)械的設(shè)計和改善產(chǎn)品品質(zhì)，但目前這方面的研究數(shù)據(jù)還不多見[2]。本文采用加工企業(yè)定點(diǎn)供應(yīng)的海南檳榔，測量經(jīng)過不同烘干時間后檳榔干果的幾何尺寸和部分物理參數(shù)的分布。根據(jù)檳榔切片的工藝特點(diǎn)，果實(shí)的外形尺寸與裝夾定位有關(guān)，果實(shí)厚度和硬度則影響切片力的大小，因此涉及到如重心、摩擦系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和硬度等參數(shù)。其中重心與檳榔果的長度、寬度、高度和密度有關(guān)，摩擦系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和硬度的主要影響因素是對應(yīng)檳榔烘干時間的脫水量。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1幾何參數(shù)的測量
檳榔屬棕櫚科植物，果實(shí)大致呈橢球形，果皮較軟呈淡綠色至黃棕色，斷面可見網(wǎng)狀溝紋的纖維，能快速風(fēng)干變硬。實(shí)驗(yàn)前將個別干癟及不成熟的檳榔剔除，隨機(jī)選取篩選后的檳榔樣本100粒，用游標(biāo)卡尺測量檳榔的長度、腰徑（包括寬度和高度）。烘干實(shí)驗(yàn)中，稱取檳榔鮮果置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干。溫度保持在80℃，每次烘干4h后從干燥箱中取出，放入置有吸潮硅膠的干燥皿中，冷卻后測量其長度、腰徑（即高度和寬度）以及重量，如此重復(fù)烘干到第5次時，樣品前后兩次質(zhì)量差不大于3mg，得到絕干重。檳榔樣本隨烘干時間其外形尺寸變化的測量平均值如表1。根據(jù)表1中樣本組1的測量結(jié)果繪圖如圖1。烘干過程中檳榔長度變化不大，但腰徑變化較大，其中高度和寬度的變化基本相同，這是由于檳榔纖維呈長度方向分布，烘干時徑向收縮遠(yuǎn)小于橫向，橫向收縮各向均勻。果實(shí)樣本烘干12小時后幾何尺寸的統(tǒng)計分布如圖2?？梢钥闯觯M管檳榔尺寸分布較分散，但其長度、寬度和高度以及果肉厚度均有一個集中分布的區(qū)域。長度的分布區(qū)間為40-60mm，平均值略為45mm；腰徑分布為15-25mm，隨檳榔長度增加，腰徑并不明顯增加；檳榔的果殼厚度變化不大，平均在3mm。
脫水率：脫水率定義為（M新鮮-Mn/M新鮮）×100%。考慮到檳榔干果的纖維性和咀嚼效果，檳榔不能烘干至完全沒有水分，實(shí)際烘干時使果實(shí)重量下降到鮮果重量的25%-30%，即干果脫水率為75%-70%為宜。參考食品中水分的測定方法[3]，稱取檳榔鮮果M新鮮，烘干工藝如前述，每次烘干n小時后測量其重量Mn，求出相應(yīng)的脫水率。烘干12小時后干果脫水率為79%，而且同一批樣本的結(jié)果差異不大。檳榔干果脫水率隨烘干時間的變化如圖3。密度：檳榔密度的測量方法采用阿基米德定律法。測量的原理是，物質(zhì)的密度ρ等于其質(zhì)量除于體積，即:準(zhǔn)確稱量得到檳榔的質(zhì)量M，然后通過排水法測量檳榔的體積v，就可求出ρ檳榔。實(shí)驗(yàn)步驟是，（1）稱取檳榔的質(zhì)量M；（2）稱取裝有水的容器的質(zhì)量M1；（3）將支架置于桌面，用支架上的金屬絲固定住檳榔并放入水容器，使檳榔完全浸入水中但不接觸容器底，稱出此時裝有檳榔和水的容器質(zhì)量M2。由于檳榔受到的浮力F浮力等于它的體積所排開的水的重量，因此:檳榔干果的內(nèi)部是空心結(jié)構(gòu)，為準(zhǔn)確測量檳榔的密度ρ物，需要將檳榔剖開再進(jìn)行密度測量。由于檳榔干果浮于水面，即比重小于水的比重，需用硬的金屬絲扎緊檳榔放入水中。實(shí)驗(yàn)前還需先在檳榔樣本表面涂抹石蠟，防止因吸水而引起誤差。測量結(jié)果如圖4，由此得到檳榔干果脫水率為78%時密度平均值為0.627g/cm3。靜摩擦系數(shù)：測量了檳榔干果在幾種材料平板表面的靜摩擦系數(shù)。測定時將不同脫水率的檳榔置于材料平板上，通過旋動裝置逐漸抬高檳榔所在的平板一端，記錄檳榔剛好滑下時平板與水平面之間的夾角即摩擦角，每組樣本測量5次然后取平均值，然后求出對應(yīng)的靜摩擦系數(shù)μ=tanα，結(jié)果如圖5所示。靜摩擦系數(shù)與檳榔的脫水率明顯相關(guān)。脫水率為43%時靜摩擦系數(shù)變大，這可能是檳榔干燥后表面纖維有所外露，使粗糙度增大；隨著脫水率繼續(xù)增大，檳榔密度增大表面也變得緊密光滑，使靜摩擦系數(shù)變小。脫水率為78%時，檳榔在有機(jī)玻璃、鋁合金、45#鋼和不銹鋼平板上的靜摩擦系數(shù)分別為0.328、0.433、0.459和0.309?？箟簭?qiáng)度：檳榔的抗壓強(qiáng)度是單位面積的干果破壞前所能承受的最大壓力[4]。檳榔的抗壓強(qiáng)度決定切片力的大小，由于檳榔與木材均是纖維質(zhì)材料，依據(jù)木材抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法對檳榔干果進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測量。實(shí)驗(yàn)方法是，由表1所示的3個樣本組中，將不同烘干時間的檳榔剖開，放在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上對其均勻緩慢加載，直至檳榔試樣破壞，記錄檳榔的破壞載荷Pmax，由此求出抗壓強(qiáng)度σ=Pmax/A，式中A是檳榔的受力面積。測量數(shù)據(jù)求平均值，得到的不同脫水率檳榔的抗壓強(qiáng)度如圖6?？梢钥闯?，在測量范圍內(nèi)檳榔的抗壓強(qiáng)度與脫水率之間呈近似線性關(guān)系，烘干時間越長檳榔的脫水率越大，干果硬度越高，抗壓強(qiáng)度也隨之增大。
3結(jié)論
對海南檳榔果的幾何和物理參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量分析，得到以下結(jié)果：（1）烘干檳榔重量下降到鮮果重量的22%即脫水率為78%時，檳榔干果長度45-60mm，主要分布在50mm，腰徑（高度和寬度）在15-25mm之間，果殼厚度約3mm。（2）檳榔脫水率為78%時，根據(jù)阿基米德定律法測出檳榔的密度約為0.627g/cm3；利用斜面法測量了檳榔在有機(jī)玻璃、鋁合金、45#鋼和不銹鋼上的靜摩擦系數(shù)分別為0.328、0.433、0.459和0.309；抗壓強(qiáng)度的測量均值為16MPa。
參考文獻(xiàn)：
[1]柯佑鵬.鄉(xiāng)村振興背景下海南檳榔產(chǎn)業(yè)興旺思考[J].今日海南，2019（4）：56-57.
[2]周超倫.檳榔切籽機(jī)的研究和設(shè)計[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2015.
[3]食品中水分的測定方法[S].GB/T5009.3，2003．
[4]劉鴻文．材料力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2004．
作者：傅琪彥 符秀娟 陳俊波 林麗珍 丁兆建 單位：海南職業(yè)技術(shù)學(xué)院